(57)【要約】  粒子層を形成するための方法及び装置が提供される。層状化方法は、キャリア液体と周囲気体との間の気体液体界面に画定された噴射ゾーン内で粒子を噴射することと、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れを制御して、粒子を噴射ゾーンから層形成ゾーンまで粒子流路に沿って下流に運ぶことを、を含む。本方法はまた、層形成ゾーン内で粒子を蓄積して気体液体界面上に粒子層を徐々に形成することと、層形成ゾーンから粒子層を回収することと、を含む。層状化方法及び装置によって形成された粒子層を用いて、三次元物体を付加製造によって製造することができる。
2019509198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子層を形成するための方法であって、
キャリア液体と周囲気体との間の気体液体界面に画定された噴射ゾーン内で粒子を噴射するステップと、
前記気体液体界面に沿っての前記キャリア液体の流れを制御して、前記粒子を前記噴射ゾーンから層形成ゾーンまで粒子流路に沿って下流に運ぶステップと、
前記層形成ゾーン内で前記粒子を蓄積して前記気体液体界面上に前記粒子層を徐々に形成するステップと、
前記層形成ゾーンから前記粒子層を回収するステップと、を含む前記方法。
【請求項２】
前記噴射ステップは、前記粒子を、粉末、分散体、溶液、懸濁液、異種混合物、またはそれらの混合物として噴射することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、前記噴射ステップの前に、懸濁液または溶媒中で前記粒子を懸濁または溶解することによって粒子懸濁液または溶液を調製するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記調製ステップは、前記粒子懸濁液または溶液中の前記粒子の濃度を制御するステップを含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記懸濁液または溶媒の表面張力は、前記キャリア液体の表面張力よりも低い請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
前記噴射ステップは、前記噴射ゾーン内での前記粒子の送出レートを制御するステップを含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記噴射ステップは、前記噴射ゾーン内の単一の噴射点において前記粒子を噴射することを含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記噴射ステップは、前記噴射ゾーン内の複数の離間に配置された噴射点において前記粒子を噴射することを含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記噴射ステップは、前記噴射ゾーン内の噴射線に沿って前記粒子を噴射することを含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記噴射線は前記粒子流路に実質的に垂直である請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記制御ステップは、前記キャリア液体の前記流れを実質的に重力流を用いずに制御することを含む請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記制御ステップは、前記気体液体界面から前記気体液体界面の下方の動作深さまで達する前記キャリア液体の上部の流れを制御することを含む請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記キャリア液体の前記上部の前記流れを制御することは、少なくとも１つの流れ制御装置を前記動作深さにおいて前記粒子流路に沿った動作速度で動作させるステップを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの流れ制御装置を動作させるステップは、前記キャリア液体の粘度に基づいて前記動作深さ及び前記動作速度の少なくとも一方を選択することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの流れ制御装置を動作させるステップは、複数の流れ制御装置を動作させることを含む請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の流れ制御装置を動作させるステップは、前記流れ制御装置の各１つを独立に動作させることを含む請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数の流れ制御装置を動作させるステップは、前記流れ制御装置のうちの少なくとも２つを異なる動作速度で動作させることを含む請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記制御ステップは、前記気体液体界面におけるブラスト噴射の現象を抑制するステップを含む請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記気体液体界面における前記ブラスト噴射の現象を抑制するステップは、前記気体液体界面に沿っての前記キャリア液体の前記流れを、前記噴射ゾーン内で噴射された前記粒子の波膨張率により調整することを含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記蓄積ステップは、前記層形成ゾーン内での前記キャリア液体の前記流れを制限するステップを含む請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記回収するステップは、前記粒子層を徐々にかつ前記蓄積ステップと同時に除去ステップを含む請求項１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記回収するステップは、前記粒子層またはその一部が完全に形成された時点でのみ前記層形成ゾーンから前記粒子層を除去するステップを含む請求項１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、前記粒子層が完全に形成された時点でかつ前記除去ステップの間に、前記噴射ステップを停止するステップと前記粒子層をその上流縁部に対して下流に押すステップとを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記回収するステップは、前記粒子層内の側圧を制御するステップを含む請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記粒子層内の前記側圧を制御するステップは、前記気体液体界面に沿っての前記キャリア液体の前記流れと前記層形成ゾーンからの前記粒子層の回収レートとの間の比を調整することを含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記蓄積ステップは、前記層形成ゾーン内で前記粒子が蓄積するときの前記粒子流路に沿っての前記気体液体界面のプロファイルをモニタするステップを含む請求項１〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
さらに、前記周囲気体の組成、圧力、及び供給レートのうちの少なくとも１つを制御するステップを含む請求項１〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
さらに、前記気体液体界面における前記粒子の平衡表面親和性を制御して前記粒子を前記気体液体界面に維持するステップを含む請求項１〜２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
前記平衡表面親和性を制御するステップは、前記粒子及び前記キャリア液体のうちの少なくとも一方の疎水性または親水性を調整するステップを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記キャリア液体は、水、水溶液、液体金属、またはそれらの混合物を含む請求項１〜２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記粒子は、金属、合金、半導体、セラミックス、誘電体、有機材料、ポリマー、またはそれらの混合物からなる請求項１〜３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記粒子は直径が約１ナノメートル〜約１０ナノメートルである請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記粒子は直径が約１０ナノメートル〜約１００ナノメートルである請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記粒子は直径が約０．１マイクロメートル〜約１マイクロメートルである請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３５】
前記粒子は直径が約１マイクロメートル〜約１０マイクロメートルである請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３６】
前記粒子は直径が約１０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルである請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記粒子は直径が約０．１ミリメートル〜約１ミリメートルである請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３８】
前記粒子は直径が約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルである請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３９】
粒子層を形成するための装置であって、
キャリア液体を受け取るための容器であって、前記キャリア液体が前記容器内に存在するときに前記キャリア液体は周囲気体との気体液体界面を画定する、前記容器と、
前記気体液体界面に画定された噴射ゾーン内で粒子を噴射するように構成された噴射アセンブリと、
前記容器内に配置された流れ制御アセンブリであって、前記キャリア液体が前記容器内に存在するときに、前記流れ制御アセンブリは少なくとも部分的に前記キャリア液体内に浸漬され、前記気体液体界面に沿っての前記キャリア液体の流れを制御するように構成され、前記キャリア液体の前記流れは、前記噴射ゾーンから層形成ゾーンまで粒子流路に沿って前記粒子を下流に運び、前記層形成ゾーンでは、前記粒子が蓄積して、前記気体液体界面上に前記粒子層を徐々に形成する、前記制御アセンブリと、
前記形成された粒子層を前記層形成ゾーンから回収するように構成された移送アセンブリと、を含む前記装置。
【請求項４０】
前記噴射アセンブリは、前記噴射ゾーン内での前記粒子の送出レートを制御するように構成されている請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記噴射アセンブリは、前記粒子を前記噴射ゾーン内で、粉末、分散体、溶液、懸濁液、異種混合物、またはそれらの組み合わせとして噴射するように構成されている請求項３９または４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記噴射アセンブリは単一の噴射器を含む請求項３９〜４１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４３】
前記単一の噴射器は、前記噴射ゾーン内の単一の噴射点において前記粒子を噴射するように構成されている請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記単一の噴射器は、前記噴射ゾーン内の噴射線に沿って前記粒子を噴射するように構成されている請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記噴射線は前記粒子流路に実質的に垂直である請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記噴射アセンブリは複数の噴射器を含む請求項３９〜４１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４７】
前記複数の噴射器は、離間に配置された噴射器の直線配列を含む請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記噴射アセンブリは噴霧器を含む請求項３９〜４１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４９】
前記粒子を保存して前記粒子を前記噴射アセンブリに供給するための前記噴射アセンブリに接続された粒子保存ユニットをさらに含む請求項３９〜４８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５０】
前記流れ制御アセンブリは、前記気体液体界面に沿っての前記キャリア液体の前記流れを実質的に重力流を用いずに制御するように構成されている請求項３９〜４９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５１】
前記流れ制御アセンブリは、前記気体液体界面から前記気体液体界面の下方の動作深さまで達する前記キャリア液体の上部の流れを制御するように構成されている請求項３９〜５０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５２】
前記流れ制御アセンブリは少なくとも１つの流れ制御装置を含み、各流れ制御装置は、前記動作深さに配置されて前記気体液体界面に平行な動作速度で動作する請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記少なくとも１つの流れ制御装置の各１つの前記動作深さは、１センチメートルよりも短い請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記少なくとも１つの流れ制御装置は少なくとも１つのベルトコンベアを含む請求項５２または５３に記載の装置。
【請求項５５】
前記少なくとも１つの流れ制御装置は単一の流れ制御装置からなる請求項５２〜５４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５６】
前記少なくとも１つの流れ制御装置は複数の流れ制御装置からなる請求項５２〜５４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５７】
前記複数の流れ制御装置は前記粒子流路に平行な並列関係で延びる請求項５６に記載の装置。
【請求項５８】
前記流れ制御装置の前記動作速度はすべて等しいわけではない請求項５６または５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記流れ制御装置の各１つは前記流れ制御装置の前記残りの部分から独立に動作する請求項５６〜５８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６０】
前記流れ制御アセンブリは、前記キャリア液体内に浸漬された固定基材と、前記噴射ゾーンの上流で少なくとも部分的に前記キャリア液体内に浸漬されたポンプとを含む請求項５１に記載の装置。
【請求項６１】
前記移送アセンブリは障壁を含み、前記障壁に対して前記粒子が粒子を蓄積して前記粒子層を前記気体液体界面上に徐々に形成する請求項３９〜６０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６２】
前記移送アセンブリは、周囲面を有する回転シリンダを含み、前記回転シリンダは前記層形成ゾーンの下流端に配置されて、前記粒子層を前記層形成ゾーンから外にその前記周囲面に沿って搬送するように構成されている請求項３９〜６１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６３】
前記移送アセンブリは、コンベアベルトを含むベルトコンベアを含み、前記ベルトコンベアは、前記層形成ゾーンの下流端に配置されて、前記粒子層を前記層形成ゾーンから外に前記コンベアベルトに沿って搬送するように構成されている請求項３９〜６１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６４】
前記移送アセンブリは、前記粒子層を徐々にかつ前記層形成ゾーン内での前記粒子の前記蓄積及び前記気体液体界面上での前記粒子層の前記徐々の形成と同時に回収するように構成されている請求項３９〜６３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６５】
前記移送アセンブリは、前記粒子層またはその一部が完全に形成された時点でのみ前記層形成ゾーンから前記粒子層を回収するように構成されている請求項３９〜６３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６６】
さらに、前記周囲気体の組成、圧力、及び供給レートのうちの少なくとも１つを制御するように構成された周囲気体制御ユニットを含む請求項３９〜６５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６７】
さらに、前記噴射ゾーンの上流に少なくとも部分的に配置された障壁であって、前記粒子の前記流れを前記粒子流路に沿って下流へ促進するように構成された前記障壁を含む請求項３９〜６６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６８】
前記障壁は下流の方を向く凹部である請求項６７に記載の装置。
【請求項６９】
前記障壁は移動可能であり、前記粒子流路に沿って下流に動いて、前記粒子層を前記移送アセンブリの方に前記移送アセンブリ上へと押して前記粒子層を回収するように構成されている請求項６７または６８に記載の装置。
【請求項７０】
三次元（３Ｄ）物体を製造するための付加製造方法であって、
請求項１〜３８のいずれか１項に記載の方法を用いて粒子層を形成するステップと、
前記層形成ゾーンから回収された前記粒子層を作業ゾーンに移送するステップと、
前記移送された層の所定の部分を選択的に互いに接合して、前記作業ゾーン内で、前記３Ｄ物体を積み重ねで形成する複数の別個の断面領域のうちの１つを形成するステップと、
前記形成、移送、及び接合ステップを複数回繰り返して、前記複数の別個の断面領域を順に積み重ねて、前記３Ｄ物体を層ごとに築き上げるステップと、を含む前記付加製造方法。
【請求項７１】
前記請求項３９〜６９のいずれか１項に記載の装置を含む付加製造システム。
【請求項７２】
付加製造によって三次元（３Ｄ）物体を製造するための、請求項１〜３８のいずれか１項に記載の方法によって形成された粒子層の使用。
【請求項７３】
付加製造によって三次元（３Ｄ）物体を製造するための、請求項３９〜６９のいずれか１項に記載の装置によって形成された粒子層の使用。
【請求項７４】
付加製造システムにおける前記請求項３９〜６９のいずれか１項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
全般的な技術分野は、粒子層の調製に関し、詳細には、付加製造応用例で用いるのに適した薄い粒子層を形成するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
小粒子または分子の薄層（たとえば、サブマイクロメータのサイズの粒子の超極薄層または単層など）を調製し、組み立て、及び／または形成するための種々の技術が知られている。
【０００３】
国際公開第１９９８／０５３９２０号（Ｐｉｃａｒｄ）には、粒子または分子の単層を調製するための方法及び装置が開示されている。この文献では、このような粒子を組み立てて単層を形成する回転シリンダが開示されている。この方法の基本原理は、３つの異なるプロセスの組み合わせに基づいている。第１のプロセスは、厚さがマイクロメートル（μｍ）の範囲でなければならない液体薄膜を用いる必要があるということである。第２のプロセスは、液体薄膜内の粒子の電荷を制御して、気体液体界面での粒子の吸着を、気体液体界面または液体薄膜自身内での粒子間の吸着を生じさせることなく起こさせることである。第３のプロセスは、粒子を縁部に対して駆動して圧縮するための力を形成するために、液体薄膜が存在する表面を移動させることである。この移動によって液体薄膜が前方に押されて、液体粘性を通して表面力が形成され、この表面力によって最終的に粒子が前方に押される。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１１／０１３５８３４号明細書（シュナイダーｅｔ  ａｌ．）及び米国特許第７，５９１，９０５号明細書（Ｐｉｃａｒｄ  ｅｔ  ａｌ．）では、単層及び薄膜を形成するための方法が開示されている。両方の文献において、開示された方法は、粒子を押して単層を形成する駆動力としての重力に基づいている。これらの方法はいずれも、移動液体の制御がなされないために単層品質の軸方向制御ができず、そのため、移動流体によって粒子に印加される側圧制御に支障を来している。また傾斜面が存在することによって、移動流体の表面にリップルまたは転波列が形成される傾向がある。これらは、生産速度ならびに形成された超極薄層または単層の品質及び一様性を抑制または低減することによって、プロセスの全体効率に影響する。さらに、粒子噴射が単一点で行われる場合、リップルが傾斜面上を下方に移動する間に増加する傾向があり、その結果、単層品質に影響が出て、生産速度も制限される。
【０００５】
欧州特許第１６４１５８０号明細書（Ｔｅｕｌｅｔ）では、レーザによって粉末（金属製またはセラミック）を焼結するための層状化装置が開示されている。装置は、粉末を保存して制御された量で溝付きシリンダに送出することができる供給トレイを含む。溝付きシリンダは、一方では、作業ゾーン上でのシリンダの第１の通過の間に堆積トレイ上にその量の粉末を移送及び分配することができ、他方では、第２の通過の間にシリンダの回転運動によって粉末を圧縮することができる。粉末に次にレーザビームを施す。この構成の不利点の１つは、供給トレイのサイズ及び相当なコストである。別の不利点は、作業ゾーンの長さがシリンダの有用な周長によって制限されるという事実から生じる。また、サブマイクロメータサイズの粒子（または軽い粒子）は一般的に、固まって不均一層を形成する傾向がある。ナノメータサイズの粒子の場合、このアプローチは一般的に、単層を実現することもできないし、粒子が固まることを制御することもできない。
【０００６】
国際公開第２０１１／００７０８７号（Ｔｅｕｌｅｔ）では、レーザによって粉末を溶融させるための層状化装置が開示されている。この装置は供給トレイを含む。供給トレイは、粉末を保存してスクレーパシステムに制御された量で送出することができる。スクレーパシステムは、堆積トレイ及びシリンダ（複数可）に供給することができる。シリンダは、その量の粉末を堆積トレイ上に分配して圧縮することができる。粉末に次にレーザビームを施す。この構成の不利点の１つは、供給トレイのサイズ及び相当なコスト、ならびに制御すべき多数のツールに起因する機械の固有で必要な複雑さである。ツールはたとえば、スクレーパ（複数可）、分配及び／または圧縮シリンダ（複数可）、トレイ用のラムなどである。また、粒子を削り取るかまたは押すことは、作業ゾーン上で粒子を押すかまたは回転させる間の流動性を確実にするために、粒子ができるだけ曲線的であることが求められる。繊維、細長いかまたはプレートレットは、粒子分配の平滑性、一様性を保証するものとして用いることはできなかった。非円形な粒子だと、目詰まり及び不均一な堆積物が形成され、最終的に、製造された層の不均一な圧力密度が形成される可能性がある。
【０００７】
米国特許出願公開第２００５／０２６３９３４号明細書（Ｃｈｕｎｇ ｅｔ  ａｌ．）では、レーザによって粉末を焼結するための層状化装置が開示されている。この装置は、粉末を作業ゾーンの付近に制御された方法で送出することができる供給及び投与手段を含む。供給は、上方に位置する粉末ストックからの重力によって行われる。スクレーパがあれば、大量の粉末の厚さを調節することができる。粉末は次に、予熱動作が施される。次に回転シリンダによって、予熱した粉末の量を作業ゾーン上で移送及び分配することができる。ある量の粉末を、シリンダを作業ゾーンの一方の側から他方の側へ運ぶキャリッジのカバー上に同様に堆積してもよく、したがって、粉末はシリンダが戻る間にのみ塗布される。この構成の不利点の１つは、粉末の部分（非常に小さい部分でさえある）がカバー上に保持されて、その後、キャリッジが粉末の床の上を通過する間に作業ゾーン内に落ちる危険性があることである。この危険性は、工業用途の状況では許容できるものではなく、非常に微細な、サブマイクロメータの粒子（ファンデアワールス及び静電気力が重力よりも著しく重要になる）の場合には、起こる可能性が非常に高い。国際公開第２０１１／００７０８７号の場合と同様に、粒子を削り取るかまたは押すことは、作業ゾーン上で粒子を押すかまたは回転させる間の流動性を確実にするために、粒子ができるだけ曲線的であることが求められる。また、サブミクロン粒子を機械的に押して非常に薄い層を得ることはできない。
【０００８】
米国特許出願公開第２０１４／０３６３５８５号明細書（Ｐｉａｌｏｔ  ｅｔ  ａｌ．）では、レーザによって粉末を焼結するための層状化装置及び付随するプロセスが開示されている。このプロセスの特徴は、保存手段、供給手段、及び投与手段が分配手段と一体となっている一方で、分配手段は作業ゾーン上を移動することである。この場合もやはり、上方に位置する粉末のストックから重力によって供給がなされ、すなわち、層状化装置から作業ゾーンまで下方に重力によって運ぶためには、粒子は十分に大きくて十分に高密度でなければならないことを意味する。しかし、粒子の直径が数ナノメートル（ｎｍ）の範囲である場合、重力の影響は一般的に非常に小さいため、粒子は作業ゾーンに送出されるのではなく、作業ゾーンの上方の空中に浮遊したままとなる傾向がある。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１４／０１７００１２号明細書（Ｄｅｌｉｓｌｅ  ｅｔ  ａｌ．）では、部分的に焼結された粉砕材料の層を付加製造ステーションへ送出する材料供給システムを含む付加製造装置が開示されている。この文献ではまた、部分的に焼結された粉砕材料の層（物体を形成するために選択的に焼結される）を用いて物体を形成する方法が開示されている。粉砕材料は、作業ゾーン上で次々にクーポンとして連続的に堆積される巻フィルムの形態で提供される。この構成の不利点の１つは、作業ゾーン上で処理及び堆積する間にフィルムの破裂が確実に起きないように、層厚さ及び焼結レベルが制限されていることである。さらに、このアプローチは二重焼結が必要であるため、コスト及びプロセス要求が増大する。
【００１０】
米国特許出願公開第２０１４／０１７００１２号明細書と同じ技術分野では、マトリックス材料はフィルムを有することが要求される。粉末供給原料に付随する困難さを緩和することを試みる既知の技術がいくつか存在する。たとえば、焼結紙は、金属製の焼結可能な粉末が埋め込まれた紙繊維からなる市販の製品である。レーザ焼結の間に紙繊維が焼き払われて、焼結金属のみが残る。しかし、焼結紙は炭化残渣を残す場合があり、紙繊維の全体にわたって粉砕材料が不均一に分配されることを被る。
【００１１】
従来技術における別の問題は、作業ゾーンの全表面積（長さ、幅）にわたって粉末層に対して均一な厚さ及び密度を実現することが難しい（しばしば不可能である）ことである。また、各層における圧縮制御は困難となる可能性があり、特に小粒子サイズの場合である。この場合、他の力（たとえば、静電気及びファンデアワールス力）が重要になる結果、目詰まり及び粉末粘着性が助長され、その結果、層一様性、平坦さ、及び／または均一性に影響が出る。
【００１２】
従来技術におけるさらなる問題は、重力によって及び堆積粒子層を平坦化する機械装置によって回収するためには、粒径及び密度が十分に大きくなくてはならないことである。粒子が小さすぎる（たとえば、サイズが数ナノメートルである）場合、重力はもはや粒子に作用する主要な力ではないため、品質、均一性、及び厚さが制御された堆積を実現するのは難しいかまたは不可能でさえある。ある場合には、超微粉末だと、機器及び環境でさえ噴射後の大気拡散によって汚染する可能性があり、その結果、システムはオペレータ及び機器にとって潜在的に危険なものとなる。また、非常に小さい金属粒子だと、空気の酸素と接触する表面体積比が高いために可燃性及び／または爆発性になる可能性があり、供給トレイ及びシステム全体が危険なものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第１９９８／０５３９２０号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／０１３５８３４号明細書
【特許文献３】米国特許第７，５９１，９０５号明細書
【特許文献４】欧州特許第１６４１５８０号明細書
【特許文献５】国際公開第２０１１／００７０８７号
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５／０２６３９３４号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１４／０３６３５８５号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１４／０１７００１２号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２０１４／０１７００１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、薄い粒子層を形成するための技術の開発には種々の問題が残っている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本説明では全般的に、薄い粒子層（たとえば、付加製造プロセス及び応用例で用いるのに適したサブマイクロメータサイズの粒子の超極薄層または単層など）を形成するための技術に関する。
【００１６】
一態様により、粒子層を形成するための方法が提供される。層状化方法は、キャリア液体と周囲気体との間の気体液体界面に画定された噴射ゾーン内で粒子を噴射するステップと、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れを制御して、噴射ゾーンから層形成ゾーンまで粒子流路に沿って粒子を下流に運ぶステップと、層形成ゾーン内で粒子を蓄積して気体液体界面上に粒子層を徐々に形成するステップと、層形成ゾーンから粒子層を回収するステップと、を含む。
【００１７】
いくつかの実施態様では、層状化方法は、ラングミュアブロジェット膜堆積技術に関するものと同様の物理化学的原理を伴うことができる。
【００１８】
いくつかの実施態様では、噴射ステップは、粒子を、噴射ゾーンまたはサイトにおいて、粉末、分散体、溶液、懸濁液、異種混合物、またはそれらの混合物もしくは組み合わせとして噴射することを含む。
【００１９】
いくつかの実施態様では、層状化方法はさらに、噴射ステップの前に、懸濁液または溶媒中に粒子を懸濁または溶解することによって粒子懸濁液または溶液を調製するステップを含む。いくつかの実施態様では、粒子懸濁液または溶液を噴射ステップの直前に形成することができる。代替的に、他の実施態様では、粒子懸濁液または溶液を事前に形成した後に、必要となるまで保存する。いくつかの実施態様では、調製ステップは、粒子懸濁液または溶液中の粒子の濃度を制御することを含む。いくつかの実施態様では、懸濁液または溶媒は表面張力がキャリア液体の表面張力よりも小さい。
【００２０】
いくつかの実施態様では、噴射ステップは、噴射ゾーンでの粒子の噴射レートを制御するステップを含む。
【００２１】
いくつかの実施態様では、噴射ステップは、噴射ゾーン内の単一の噴射点で粒子を噴射することを含む。他の実施態様では、噴射ステップは、噴射ゾーン内の複数の離間に配置された噴射点で粒子を噴射することを含む。さらなる実施態様では、噴射ステップは、噴射ゾーン内の噴射線に沿って粒子を噴射することを含む。いくつかの実施態様では、噴射線は粒子流路に実質的に垂直である。
【００２２】
いくつかの実施態様では、制御ステップは、キャリア液体の流れを実質的に重力流を用いずに制御することを含む。このような実施態様では、気体液体界面は概ね、重力に垂直な水平面に沿って延びる。
【００２３】
いくつかの実施態様では、制御ステップは、気体液体界面から気体液体界面の下方の動作深さまで達するキャリア液体の上部の流れを制御することを含む。より詳細には、いくつかの実施態様では、キャリア液体の上部の流れは、気体液体界面の下方の距離ｄに配置された基材の変位及び気体液体界面に平行な速度ｖで移動することによって生じる。このような構成では、キャリア液体の固有粘度μに起因して、移動基材の変位によって、気体液体界面に沿って粒子に作用する横力Ｆが生じる。いくつかの実施態様では、表面Ａを有する粒子層に作用する力Ｆは、次のように表現することができる。Ｆ／Ａ＝μｖ／ｄ。ここでＦ／Ａは、粒子に作用する圧力Ｐを表す。たとえば、非限定の実施形態として、キャリア液体の特徴が粘度が比較的低いこと（たとえば、１０センチポアズ未満である）場合、気体液体界面の下の移動基材の深さｄをミリメートル以下のオーダーにして、粒子を効率的に層形成ゾーンまで運ぶのに十分大きな力Ｆを発生させることができる。
【００２４】
いくつかの実施態様では、キャリア液体の上部の流れを制御することは、少なくとも１つの流れ制御装置を動作深さにおいて粒子流路に沿った動作速度で動作させるステップを含む。いくつかの実施態様では、少なくとも１つの流れ制御装置を動作させるステップは、キャリア液体の粘度に基づいて動作深さ及び動作速度の少なくとも一方を選択することを含む。
【００２５】
いくつかの実施態様では、少なくとも１つの流れ制御装置を動作させるステップは、複数の流れ制御装置を動作させることを含む。いくつかの実施態様では、複数の流れ制御装置を動作させるステップは、流れ制御装置の各１つを独立に動作させることを含む。いくつかの実施態様では、複数の流れ制御装置を動作させるステップは、流れ制御装置のうちの少なくとも２つを異なる動作速度で動作させることを含む。
【００２６】
いくつかの実施態様では、制御ステップは、気体液体界面におけるブラスト噴射の現象を抑制するステップを含む。いくつかの実施態様では、気体液体界面におけるブラスト噴射の現象を抑制するかまたは含むステップは、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れを、噴射ゾーン内で噴射された粒子の波膨張率により調整することを含む。
【００２７】
いくつかの実施態様では、蓄積ステップは、層形成ゾーン内でのキャリア液体の流れを制限するステップを含む。たとえば、いくつかの実施態様では、層形成ゾーン内で粒子を蓄積するステップは、制御された粒子交通渋滞または制限効果を層形成ゾーン内で形成することを含む。
【００２８】
いくつかの実施態様では、回収ステップは、粒子層を徐々にかつ蓄積ステップと同時に除去するステップを含む。代替的に、他の実施態様では、回収ステップは、粒子層またはその一部が完全に形成された時点でのみ層形成ゾーンから粒子層を除去するステップを含む。これらの他の実施態様のいくつかでは、本方法は、粒子層が完全に形成された時点で、除去ステップの間に、噴射ステップを停止するステップと粒子層をその上流縁部に対して下流に押すステップとを含むことができる。
【００２９】
いくつかの実施態様では、回収ステップは、層形成ゾーンからの粒子層の回収速度を制御するステップを含む。
【００３０】
いくつかの実施態様では、回収ステップは、粒子層内の側圧を制御するステップを含む。いくつかの実施態様では、回収された粒子層の側圧を制御して、層密度を制御し、キャリア液体の表面におけるリップル、転波列、及び他の不安定性の形成を阻止するかまたは阻止を助けることができる。いくつかの実施態様では、粒子層内の側圧を制御するステップは、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れと層形成ゾーンからの粒子層の回収レートとの間の比を調整することを含む。
【００３１】
いくつかの実施態様では、層状化方法は、層形成プロセスの特定のモニタリングを行なうステップを含むことができる。いくつかのシナリオでは、このステップは、一種の「交通渋滞」効果をモニタすることを伴うことができる。「交通渋滞」効果は、粒子の流れまたは移動を妨げるかまたは制限する可能性があり、粒子は層形成ゾーン内で蓄積されて、粒子層が形成されることになる。このようなシナリオでは、層形成プロセスのモニタリングは、粒子（たとえば、粉末、懸濁液、または溶液の形態）が気体液体界面に噴射される噴射ゾーンのモニタリングを伴うことができる。たとえば、いくつかの実施態様では、蓄積ステップは、層形成ゾーン内で粒子が蓄積するときの粒子流路に沿っての気体液体界面のプロファイルをモニタすることを含む。
【００３２】
いくつかの実施態様では、層状化方法はさらに、周囲気体の組成、圧力、及び供給レートのうちの少なくとも１つを手動でまたは自動的に制御するステップを含む。いくつかの実施態様では、周囲気体の組成を制御することは、層状化及び／または製造プロセスの間に粒子の酸化及び他の不要な化学反応を防止するかまたは少なくとも低減する点で、不活性ガス（たとえば、窒素）を噴射して周囲気体の酸素含有量を下げることを伴う可能性がある。たとえば、周囲気体の組成は通常大気から不活性ガスへのみ制御することができる。いくつかの実施態様では、周囲気体の組成を、さらにまたはその代わりに、層状化及び／または製造プロセスの間に粒子との特定の化学反応が生じるかまたは促進されるように制御することができる。このようなシナリオは、周囲気体内で特定のガス種を噴射して特定の化学反応を引き起こすかまたは促進することを伴うことができる。いくつかの実施態様では、層状化方法を気密封止環境で行って、周囲気体中に存在する粒子と酸素との間の任意の無制御で、強力で、有害または望ましくない反応を阻止するかまたは阻止を助けることができる。いくつかの実施態様では層状化方法を大気圧で行うことができ、一方で他の実施態様では、層状化方法を大気圧よりも高いかまたは低い圧力（たとえば、部分真空中で）行うことができる。
【００３３】
いくつかの実施態様では、層状化方法はさらに、気体液体界面における粒子の平衡表面親和性を制御して粒子を気体液体界面に維持するステップを含む。いくつかの実施態様では、平衡表面親和性を制御するステップは、粒子及びキャリア液体のうちの少なくとも一方の疎水性または親水性を調整するステップを含む。
【００３４】
いくつかの実施態様では、キャリア液体は、水、水溶液、液体金属、またはそれらの混合物を含む。
【００３５】
いくつかの実施態様では、粒子は、金属、合金、半導体、セラミックス、誘電体、有機材料、ポリマー、またはそれらの混合物からなる。
【００３６】
いくつかの実施態様では、粒子は、直径が約１ナノメートル〜約１０ナノメートルであるか、または直径が約１０ナノメートル〜約１００ナノメートルであるか、または直径が約０．１マイクロメートル〜約１マイクロメートルであるか、または直径が約１マイクロメートル〜約１０マイクロメートルであるか、または直径が約１０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルであるか、または直径が約０．１ミリメートル〜約１ミリメートルであるか、または直径が約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルである。いくつかの実施態様では、粒子は直径が約１ナノメートル〜１ミリメートルである。
【００３７】
いくつかの実施態様では、噴射粒子、キャリア液体、及び周囲気体との間で確立された界面張力によって、噴射粒子が気体液体界面に沿って急速に広がる。このような実施態様では、粒子の広がりが生じると、気体液体界面に沿ってキャリア液体に与えられた流れは、層製造ゾーンの方に粒子を駆動するように作用する。
【００３８】
別の態様によれば、粒子層を形成するための装置が提供される。層状化装置は、キャリア液体を受け取るための容器であって、容器内にキャリア液体が存在するときにキャリア液体は周囲気体との気体液体界面を画定する、容器と、気体液体界面に画定された噴射ゾーン内で粒子を噴射するように構成された噴射アセンブリと、容器内に配置された流れ制御アセンブリであって、キャリア液体が容器内に存在するときに、流れ制御アセンブリは少なくとも部分的にキャリア液体内に浸漬され、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れを制御するように構成され、キャリア液体の流れは、噴射ゾーンから層形成ゾーンまで粒子流路に沿って粒子を下流に運び、層形成ゾーンでは、粒子が蓄積して、気体液体界面上に粒子層を徐々に形成する、制御アセンブリと、形成された粒子層を層形成ゾーンから回収するように構成された移送アセンブリと、を含む。
【００３９】
いくつかの実施態様では、噴射アセンブリは、噴射ゾーン内での粒子の噴射レートを制御するように構成されている。いくつかの実施態様では、噴射アセンブリは、粒子を、噴射ゾーン内で、粉末、分散体、溶液、懸濁液、異種混合物、またはそれらの組み合わせとして噴射するように構成されている。
【００４０】
いくつかの実施態様では、噴射アセンブリは単一の噴射器を含む。いくつかの実施態様では、単一の噴射器は、噴射ゾーン内の単一の噴射点において粒子を噴射するように構成されている。他の実施態様では、単一の噴射器は、噴射ゾーン内の噴射線に沿って粒子を噴射するように構成されている。さらなる実施態様では、噴射線は粒子流路に実質的に垂直である。代替的に、噴射アセンブリは複数の噴射器を含む。いくつかの実施態様では、複数の噴射器は、離間に配置された噴射器の直線配列を含む。いくつかの実施態様では、噴射アセンブリは噴霧器を含む。
【００４１】
いくつかの実施態様では、層状化装置は、溶液／懸濁液中の粒子の濃度（たとえば、粒子溶液／懸濁液が噴射直前に調製されるシナリオにおいて）及び／または噴射ゾーン内での溶液／懸濁液の送出レートを制御するように構成された投与量またはレート制御器を含むことができる。投与量制御器を設けることによって、一層内で及び／または連続層間で粒子密度を変えることが可能になる。
【００４２】
いくつかの実施態様では、層状化装置はさらに、噴射ゾーン内で粒子を噴射する前に粒子を保存して粒子を噴射アセンブリに供給するための噴射アセンブリに接続された粒子保存ユニットを含む。たとえば、粒子保存ユニットは粒子を粉末、懸濁液、または溶液として保存することができる。いくつかの実施態様では、層状化装置は、容器内に送出すべきキャリア液体を保存するためのキャリア液体保存ユニットを含むことができる。キャリア液体上に粒子は堆積される。
【００４３】
いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリは、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れを実質的に重力流を用いずに制御するように構成されている。
【００４４】
いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリは、形成された粒子層の形成速度、側圧、均質性、及び密度または多孔性のうちの少なくとも１つを制御する働きをすることができる。当然のことながら、空間的に一様な密度または側圧を伴う均質層が望ましいことが多いかまたは付加製造において要求されることさえある。応用例または用途に応じて、形成された粒子層は、密充填密度を有することができるかまたはある程度の多孔性を示すことができる。いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリはさらにまたは代替的にブラスト噴射の現象を調節し、減らし、緩和し、及び／または制御する働きをすることができる。ブラスト噴射の現象は、気体液体界面上の単一点で粒子懸濁液または溶液を噴射したときに、噴射サイトの下流への流体変位を制御することによって生じる可能性がある。いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリは、層形成ゾーン内での粒子の制御された蓄積を提供または実現する働きをすることができる。
【００４５】
いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリは、気体液体界面から気体液体界面の下方の動作深さまで達するキャリア液体の上部の流れを制御するように構成されている。このような実施態様では、流れ制御アセンブリはキャリア液体の変位を生じさせるように構成され、変位の結果、噴射粒子を層形成ゾーンの方に運ぶ気体液体界面の移動が生じる。いくつかの実施態様では、気体液体界面の真下のキャリア液体のこのような最上部の流れに対するこのような制御によって、気体液体界面における粒子に対する無制御の側圧の現象を除去するかまたは除去を助けることが、粒子を層形成ゾーンの方へ送って層内への粒子の制御された組立てを促進することによって可能になる。
【００４６】
いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリは少なくとも１つの流れ制御装置を含む、各流れ制御装置は動作深さに配置されて気体液体界面に平行な動作速度で動作する。
【００４７】
いくつかの実施態様では、少なくとも１つの流れ制御装置の各１つの動作深さは１センチメートルよりも短い。
【００４８】
いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリは、キャリア液体内に少なくとも部分的に浸漬された少なくとも１つの移動基材であって、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の変位を制御する基材を含むことができる。たとえば、いくつかの実施態様では、少なくとも１つの流れ制御装置は少なくとも１つのベルトコンベアを含む。各ベルトコンベアはローラのセットを含むことができ、少なくとも１つは動力付きローラであり、エンドレスコンベアベルトがローラの周りに移動するように取り付けられている。応用例に応じて、流れ制御アセンブリは単一のベルトコンベアまたは複数のベルトコンベアを含むことができる。後者のシナリオでは、ベルトコンベアはすべて、同じ動作深さ、動作速度、寸法、及び／または方位を有していてもよいしそうでなくてもよい。各ベルトコンベアは、キャリア液体中を噴射ゾーン及び／または層形成ゾーンに沿って延びることができる。いくつかの実施態様では、キャリア液体内に浸漬された複数の独立に制御されたベルトコンベアを設けることによって、形成された層の（特にその縁部の）均一性を向上させることができる。たとえば、不均一層が、気体液体界面における粒子の噴射の不均一な単一点から生じる可能性がある。詳細には、複数の独立に制御されたベルトコンベアを設けることによって、ブラスト噴射の現象に起因して生じる衝撃または膨張波の特定の高度な制御を可能にすることができる。いくつかの実施態様では、１つ以上の移動ベルトコンベアは、層が形成されるレートまたは速度、層内部の側圧、層の厚さ、層の密度、及び層形成ゾーン内で粒子の蓄積のうちの少なくとも１つを制御する働きをすることができる。
【００４９】
いくつかの実施態様では、少なくとも１つの流れ制御装置は単一の流れ制御装置からなる。代替的に、他の実施態様では、少なくとも１つの流れ制御装置は複数の流れ制御装置からなることができる。いくつかの実施態様では、複数の流れ制御装置は、粒子流路に平行な並列関係で延びる。
【００５０】
いくつかの実施態様では、流れ制御装置の動作速度はすべて等しいわけではない。いくつかの実施態様では、流れ制御装置の各１つは流れ制御装置の残りの部分から独立に動作する。
【００５１】
いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリは、キャリア液体内に浸漬された固定基材と、噴射ゾーンの上流でキャリア液体内に少なくとも部分的に浸漬されたポンプとを含む。
【００５２】
いくつかの実施態様では、移送アセンブリは障壁を含み、この障壁に対して粒子が粒子を蓄積して粒子層を気体液体界面上に徐々に形成する。いくつかの実施態様では、移送アセンブリは容器の下流端に配置されている。
【００５３】
いくつかの実施態様では、移送アセンブリは、周囲面を有する回転シリンダを含み、回転シリンダは層形成ゾーンの下流端に配置されて、粒子層を層形成ゾーンから外にその周囲面に沿って搬送するように構成されている。たとえば、いくつかの実施態様では、回転シリンダ上で搬送された粒子層を付加製造システムの作業ゾーンに移送することができる。いくつかの実施態様では、回転シリンダを一定の角速度で回転させて、粒子層の移送中に粒子層内部の一定の側圧を維持することができる。
【００５４】
いくつかの実施態様では、移送アセンブリは、コンベアベルトを含むベルトコンベアを含んでいる。ベルトコンベアは層形成ゾーンの下流端に配置され、粒子層を層形成ゾーンから外にコンベアベルトに沿って搬送して、さらなる処理または保存を行うように構成されている。たとえば、いくつかの実施態様では、ベルトコンベア上で搬送された粒子層を付加製造システムの作業ゾーンに移送することができる。いくつかの実施態様では、ベルトコンベアを一定速度で駆動して、粒子層の移送中に粒子層内部の一定の側圧を維持することができる。
【００５５】
いくつかの実施態様では、移送アセンブリは、毛細管ブリッジを形成して、形成された層を、たとえば、付加製造領域の作業ゾーン内で、以前に回収され、移送され、及び堆積された層の最上部にゆるやか及び滑らかに堆積させることができる。
【００５６】
いくつかの実施態様では、移送アセンブリは、層形成ゾーン内で粒子が蓄積すること及び気体液体界面上に粒子層が徐々に形成されることと同時に、粒子層を徐々に回収するように構成されている。代替的に、他の実施態様では、移送アセンブリを、粒子層またはその一部が完全に形成された時点でのみ、層形成ゾーンから粒子層を回収するように構成することができる。
【００５７】
いくつかの実施態様では、層状化装置はさらに、周囲気体の組成、圧力、及び供給レートのうちの少なくとも１つを制御するように構成された周囲気体制御ユニットを含む。
【００５８】
いくつかの実施態様では、層状化装置はさらに、噴射ゾーンの少なくとも部分的に上流の位置に設けられた障壁であって、粒子の流れを粒子流路に沿って下流へ促進するように構成された障壁を含む。いくつかの実施態様では、障壁は下流の方を向く凹部である。いくつかの実施態様では、障壁は移動可能であり、粒子流路に沿って下流に動いて、粒子層を移送アセンブリの方に移送アセンブリ上へと押して粒子層を回収するように構成されている。
【００５９】
いくつかの実施態様では、層状化装置は制御または処理ユニットを含むことができる。制御ユニットをハードウェア及び／またはソフトウェアで実装することができ、制御ユニットは、層状化装置の異なるコンポーネント（たとえば、噴射アセンブリ、流れ制御アセンブリ、及び／または移送アセンブリ）を動作させるために必要な機能を少なくとも部分的に制御及び実行する働きをすることができる。たとえば、制御ユニットは、噴射アセンブリが送出すべき溶液／懸濁液の量及び／または流れ制御アセンブリが与える流れ及び側圧を制御する働きをすることができ、その結果、結果として得られる粒子層の密度及び厚さが制御される。
【００６０】
別の態様によれば、三次元（３Ｄ）物体を製造するための付加製造方法が提供される。付加製造方法は、本明細書で開示した方法を用いて粒子層を形成するステップと、層形成ゾーンから回収された粒子層を作業ゾーンに移送するステップと、移送された層の所定の部分を選択的に互いに接合して、作業ゾーン内で、３Ｄ物体を積み重ねで形成する複数の別個の断面領域のうちの１つを形成するステップと、形成、移送、及び接合ステップを複数回繰り返して、複数の別個の断面領域を順に積み重ねて、３Ｄ物体を層ごとに築き上げるステップと、を含む。
【００６１】
いくつかの実施態様では、接合ステップは、移送された層の所定の部分を互いに焼結するか、溶融させるか、融合するか、重合するか、接着するか、接触させるか、併合するか、接続するか、結合するか、接合するか、または粘着するかのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００６２】
いくつかの実施態様では、付加製造方法は、製造した３Ｄ物体をクリーニング領域に移送するステップと、製造した３Ｄ物体を（たとえば、超音波浴内で）クリーニングして、そこから未使用の粒子（たとえば、非焼結または非融解の粒子）を除去するステップと、製造した３Ｄ物体から除去した未使用の粒子を、たとえば付加製造方法の以後の応用例で用いるために再利用するステップと、を含むことができる。
【００６３】
いくつかの実施態様では、粒子層を作業ゾーンに移送するステップは、層を層形成ゾーンから作業ゾーンに移送する速度を作業ゾーンを平行移動する速度と同期させることを含むことができる。このような場合、層形成ゾーンと作業ゾーンとの間の相対速度は、層が作業ゾーンに移送される速度と実質的に一致するように形成される。この同期によって、各層が作業ゾーンに連続的に移送されることが確実になるかまたは確実にすることが助けられる。
【００６４】
いくつかの実施態様では、粒子層を形成するステップによって、密度及び／または多孔性が特定の特性及び／または特定の付加製造プロセスの要求に適応している粒子層を得ることができる。たとえば、粒子層を形成するステップによって、３Ｄ物体を積み重ねで形成する別個の断面領域における粒子分離及び密度の制御を可能にすることができる。
【００６５】
いくつかの実施態様では、付加製造方法は、ナノスケール粒子で形成された粒子層であって、粒子を結合または合併するのに必要なエネルギーが融点降下現象（粒子の融点は粒径の減少とともに低下する）に起因して小さくなることを特徴とする粒子層を用いることができる。
【００６６】
別の態様によれば、本明細書で開示した層状化装置を含む付加製造システムが提供される。
【００６７】
いくつかの実施態様では、付加製造システムは、層状化装置が形成した粒子層に作用して、物体の３Ｄプリンティングまたは製造を可能にすることができる。付加製造システムは、エネルギービーム（たとえば、電磁放射線たとえばレーザビーム）、粒子のビーム（たとえば、電子ビーム）、または接着促進剤（たとえば、ポリマー）を用いて、層状粒子の接合（たとえば、併合、焼結、溶融、融合、重合、接着、または結合）を実現することができる。付加製造プロセスの非限定的な例としては、選択的レーザ溶融法、直接レーザ金属焼結法、ステレオリソグラフィ、デジタル光投影、熱溶解積層法、電子ビーム投影リソグラフィ、及び電子ビーム溶解が挙げられる。いくつかの実施態様では、付加製造システムで用いられる層状粒子はナノ粒子である。
【００６８】
いくつかの実施態様では、最終的な３Ｄ物体を作業ゾーンからクリーニングアセンブリに移動させることができる。いくつかの実施態様では、クリーニングアセンブリは、超音波浴、再利用貯蔵庫または容器、粒子のハブ、及びガスチャンバを含むことができる。超音波浴を用いて未使用の粒子（たとえば、非焼結または非融解の粒子）を製造支持板から除去してもよいが、貯蔵庫を再利用することを用いて、除去された未使用の粒子を集めて保存して、以後の再利用に備えることもできる。粒子のハブを遠心分離装置によって具体化して粒子を凝縮し、量が低減した洗浄液を用いて粒子を超音波浴から抽出することができる。ガスチャンバは、クリーニングアセンブリの雰囲気を、たとえば通常大気から無酸素または低レベル酸素の大気へと、制御することができる。いくつかの実施態様では、最終的な３Ｄ物体を製造チャンバに制御雰囲気を通して戻すことができる。いくつかの実施態様では、クリーニングアセンブリは付加製造システムの別個のコンポーネントであってもよい。
【００６９】
別の態様によれば、付加製造用（たとえば、付加製造による三次元（３Ｄ）物体の製造用）に本明細書で開示した層状化方法及び／または層状化装置によって形成された粒子層を用いることが提供される。
【００７０】
別の態様によれば、本明細書で開示した層状化装置の付加製造システムにおける使用が提供される。
【００７１】
次のことに注意されたい。すなわち、他の方法及び処理ステップを前述のステップの前に、その間に、またはその後に行ってもよい。またステップのうちの１つ以上の順序が異なっていてもよく、ステップのいくつかを省略し、繰り返し、及び／または組み合わせてもよい。
【００７２】
本説明の他の特徴及び優位点は、添付図面を参照して単に一例として与えられるその特定の実施形態の以下の非限定的な説明を読むことでより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】従来の付加製造システムの概略図である。
【図２】可能な実施形態による粒子層を形成するための方法の流れ図である。
【図３】付加製造システムの概略的な機能ブロック表現であり、付加製造システムは層状化装置の可能な実施形態を含む図である。
【図４】可能な実施形態による層状化装置の概略側面図である。
【図５Ａ】層状化装置の異なる可能な実施形態で用いる噴射アセンブリのタイプの非限定的な例の概略図である。
【図５Ｂ】層状化装置の異なる可能な実施形態で用いる噴射アセンブリのタイプの非限定的な例の概略図である。
【図５Ｃ】層状化装置の異なる可能な実施形態で用いる噴射アセンブリのタイプの非限定的な例の概略図である。
【図５Ｄ】層状化装置の異なる可能な実施形態で用いる噴射アセンブリのタイプの非限定的な例の概略図である。
【図６】は、気体液体界面の下方の動作深さｄに配置された流れ制御アセンブリの運動成分と気体液体界面に平行な動作速度ｖでの移動とにより気体液体界面の表面Ａに作用する横方向または水平力Ｆの概略図である。
【図７】層状化装置の可能な実施形態の流れ制御アセンブリの概略的な平面図表現であり、流れ制御アセンブリは複数の独立に制御されたベルトコンベアを含む図である。
【図８】可能な実施形態による層状化装置の流れ制御アセンブリの別の例の概略図である。
【図９Ａ】層状化装置で用いる上流側障壁の３つの例の概略図である。
【図９Ｂ】層状化装置で用いる上流側障壁の３つの例の概略図である。
【図９Ｃ】層状化装置で用いる上流側障壁の３つの例の概略図である。
【図１０】可能な実施形態による層状化装置の概略斜視図であり、複数の開口部を有するフィルタを含む図である。
【図１１】可能な実施形態による層状化装置の概略側面図である。
【図１２】可能な実施形態による層状化装置の概略側面図である。
【図１３】可能な実施形態により、すでに形成された多層スタックのＮ番目の層の最上部にＮ＋１番目の層を毛細管ブリッジを用いて堆積する様子の概略側面図である。
【図１４Ａ】可能な実施形態により、粒子層を形成するための方法のステップを例示する図である。
【図１４Ｂ】可能な実施形態により、粒子層を形成するための方法のステップを例示する図である。
【図１４Ｃ】可能な実施形態により、粒子層を形成するための方法のステップを例示する図である。
【図１４Ｄ】可能な実施形態により、粒子層を形成するための方法のステップを例示する図である。
【図１４Ｅ】可能な実施形態により、粒子層を形成するための方法のステップを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
以下の説明では、図面内の同様の特徴には同様の参照数字を付しており、図を必要以上に邪魔することがないように、先行する図ですでに特定されていたら、一部の図では一部の要素を示さない場合がある。また本明細書では当然のことながら、図面の要素は必ずしも一定の比率で示されてはいない。なぜならば、本実施形態の要素及び構造を明瞭に例示するために強調しているからである。特に次のことに注意されたい。すなわち、図面のいくつかで示した粒子及び粒子の層は、明瞭にする目的でサイズが非常に拡大されている。
【００７５】
本説明は全般的に、粒子の層（たとえば、サブマイクロメータサイズの粒子の超極薄層または単層）を形成するための技術に関する。
【００７６】
いくつかの態様では、粒子層を形成するための方法及び装置が提供される。便宜上、本方法及び装置は、場合によっては「層状化方法」及び「層状化装置」とそれぞれ言うことができる。いくつかの実施態様では、層状化方法は、ラングミュアブロジェットフィルム堆積技術に関するものと同様の物理化学的原理を伴うことができる。層状化方法及び装置の種々の実施態様について以下に説明する。
【００７７】
本技術は、均一で、均質で、機械的及び化学的に安定した薄い粒子層をより速いレートで生成することを必要とするかまたはそこから利益を得ることができる種々の応用例で用いることができる。たとえば、本明細書で開示した種々の技術を、粒子状物質の層の連続堆積を用いて３Ｄ物体、構造、または部分を築き上げる粒子ベースの付加製造プロセスに適用してもよいしまたは実装してもよい。この点で、本説明の他の態様は、３Ｄ物体を製造するための付加製造方法と、本明細書で開示した層状化装置を含む付加製造システムと、本明細書で開示した層状化方法及び／または層状化装置によって形成された粒子層の付加製造に対する使用と、本明細書で開示した層状化装置の付加製造システムにおける使用と、を含む。
【００７８】
図１を参照して、三次元（３Ｄ）物体４０を製造するための従来の付加製造システム１の例の概略図を例示する。付加製造システム１はエネルギー源（たとえばレーザ源１０によって具体化される）を含む。レーザ源１０は、レーザビーム３を発する働きをする。作業ゾーン４に対するレーザビーム３の方位を、対応するガルバノメータによって制御されたミラー９によって調整することができる。光学レンズを設けてレーザビーム３を作業ゾーン４に集束し、粒子２（たとえば、粉末）の上部層１１を正確なパターンに従って加熱して、粒子２の選択的な溶融を起こすことができる。ビーム３によって粒子層１１を処理した後で、作業トレイ６０を単位厚さだけ下げて新しい粒子層で覆う。このように続けて物体４０を層単位で形成する。使用するエネルギービーム及び粒子のタイプに応じて、個別の粒子層１１の厚さは数マイクロメートル（たとえば、１μｍ）〜数百マイクロメートル（たとえば、５００μｍ）で変化する可能性がある。３Ｄ物体４０の製造が完了した時点で、すなわち、その構造にとって必要な数百または数千の層が連続して固化された時点で、作業ゾーン４から物体４０を除去することができる。
【００７９】
本技術から利益を得ることができる付加製造プロセスの非限定的な例としては、作業ゾーン（多層構造として積層した粒子層から３Ｄ物体が層ごとに構築される）内の層に作用するエネルギービーム（たとえば、電磁放射線たとえばレーザビーム）、粒子のビーム（たとえば、電子ビーム）、及び／または接着促進剤（たとえば、ポリマー）を用いて、層状粒子を接合することによって付加製造を行うことを挙げることができる。本説明では、用語「接合する」は、限定することなく、以下を包含することが意図されている。焼結、溶融、融合、重合、接着、接触、併合、接続、結合、粘着、一体に接合、及び任意の他のプロセスまたはプロセスの組み合わせであって、粒子層の粒子を可逆的または不可逆的に一つにして３Ｄ物体の１つの断面領域または層を形成することができるものである。このような実施態様では、本技術によって、層状化を行う（すなわち、３Ｄ物体を形成するためにエネルギービーム、粒子ビーム、または接着促進剤によって層ごとに結合すべき粒子の床を調製する）ためのシステム及びプロセスが提供される。しかし、本明細書で開示した層状化技術は付加製造応用例に限定されず、他の応用例で用いることができる。このような他の応用例の非限定的な例としては、フォトニック装置（たとえば、フォトニック結晶）、バイオセンサー、バイオキャプタ、及び他の応用例であって、表面特性の向上（たとえば、接着、反発力、及び／または摩擦制御の点で）を必要とするかまたはそこから利益を得ることができるものにおける実施態様が挙げられる。
【００８０】
本説明では、用語「粒子」または「粒子状物質」は、任意の別個の個別の塊、構造もしくは相、またはそれらの任意の集合物であって、ホスト媒体中で懸濁されているか、分散されているか、混合されているか、含まれているか、または他の方法で提供されているものを指す。たとえば、粒子は分子、コロイド、ナノクラスターまたはマイクロクラスタ、繊維、粉末、ポリマー、集合及び凝集粒子、またはそれらの組み合わせとすることができる。当然のことながら、原理的に、用語「粒子」がサイズ、形状、相、または組成に関して限定されることは意図していない。たとえば、いくつかの実施形態では、粒子を、液体媒体中に懸濁された固体粒子とすることができるが、他の実施形態では、粒子を、ホスト液体を用いることなく（たとえば、粉末として）気体液体界面に直接噴射された固体粒子とすることができる。粒子は有機、無機、またはそれらの何らかの組み合わせとすることができる。粒子は種々の種類の材料からなっていてもよい。たとえば、限定することなく、金属、合金、半導体、セラミックス、誘電体材料、有機材料、ポリマー、タンパク質、及び他の生物学的な構造、酸化物、グラフェン、炭素ナノチューブ、分子などである。いくつかの実施態様では、層は材料の組み合わせで形成することができ、異なる層は異なる組成を有することができる。粒子は球状とすることができるが、非球状粒子（たとえば、楕円形または細長い粒子）も可能である。
【００８１】
応用例または用途に応じて、粒子の平均粒径はミリメートル規模〜ナノメートル規模の範囲とすることができ、６桁のサイズに及ぶ。いくつかの実施形態では、粒子はナノ粒子もしくは微小粒子、またはそれらの組み合わせである。本説明では、用語「ナノ粒子」は、ナノスケールで測定できる平均粒径を有する粒子を指す。たとえば、非限定的な実施形態では、合成されたナノ粒子は、直径が約１００ｎｍ未満、または直径が約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、または直径が約１ｎｍ〜約１０ｎｍ、または直径が約１０ｎｍ〜約１００ｎｍとすることができる。また本明細書で用いる場合、用語「微小粒子」は、マイクロスケールで測定できる平均粒径を有する粒子を指す。たとえば、非限定的な実施形態では、合成された微小粒子は、直径が約０．１μｍ〜約１００μｍ、または直径が約０．１μｍ〜約１μｍ、または直径が約１μｍ〜約１００μｍ、または直径が約１μｍ〜約１０μｍ、または直径が約１０μｍ〜約１００μｍとすることができる。この点で、当業者であれば分かるように、サイズ範囲の点に関する用語「ナノ粒子」及び「微小粒子」の定義、ならびに２つの用語の間の境界線は、考慮中の技術分野に応じて変わる可能性があり、限定することは意図していない。
【００８２】
本説明では、用語「層」及びその派生語は、その下に設けられた表面に連続的または不連続に配置された粒子の実質的な平面配置を大まかに指すことが意図されている。粒子の配置は密に充填されていてもよいしそうでなくてもよく、また均一であってもよいしそうでなくてもよい。用語「層」は、単粒子層（すなわち、１粒子厚さの単層）、多粒子層（すなわち、複数粒子厚さの層）の両方、ならびに混ざり合った粒子、繊維、及び／または分子の集合物を含むことが意図されている。用語「薄層」は、厚さが約１０００μｍ〜約１μｍの範囲の層を指すことができ、用語「超極薄層」は、厚さが約１μｍ未満の層を指すことができる。また次のことにも注意されたい。すなわち、用語「層」は、表面上に配置された離散粒子の集合と、表面（たとえば、フィルム）上に配置された混ざり合った及び／または相互に作用する粒子の集合との両方を包含することが意図されている。詳細には、用語「層」には、限定することなく、用語「フィルム」が包含されることが意図されている。
【００８３】
図２を参照して、粒子層を形成するための方法２００の実施形態の流れ図を示す。たとえば、図２の本方法２００を、層状化装置１００（たとえば図４に例示したもの）において、または別の層状化装置１００において実装することができる。
【００８４】
図３を参照して、付加製造システム１の概略的な機能ブロック表現を例示する。付加製造システム１は、粒子２の層１０２を形成するための層状化装置１００の典型的な実施形態を含む。層状化装置１００に加えて、図３の付加製造システム１は、作業ゾーン４、クリーニングアセンブリ８、及びエネルギービーム源１０も含む。エネルギービーム源１０は、エネルギービーム３（たとえば、光ビームたとえばレーザビーム、または粒子ビームたとえば電子ビーム）を作業ゾーン４上に発するように構成されている。応用例に応じて、エネルギービーム源１０及びエネルギービーム３を制御する方法は、図１に例示したものと同様であってもよいしそうでなくてもよい。
【００８５】
図４を参照して、粒子２の層１０２を形成するための層状化装置１００の非限定の典型的な実施形態を示す。概して言えば、層状化装置１００は、容器１０４、噴射アセンブリ１０６、流れ制御アセンブリ１０８、及び移送アセンブリ１１０を含むことができる。より構造に関して、層状化装置１００のこれら及び他の可能なコンポーネントの構成及び動作について、図２に示した層状化方法２００の流れ図とともに、以下に詳細に説明する。
【００８６】
図４では、容器１０４はキャリア液体１１２（またはキャリア流体）を受け取るように構成され、キャリア液体１１２が容器１０４内に存在するときに、キャリア液体１１２が周囲または環境気体１１６との気体液体界面１１４（または気体流体界面）を画定するようになっている。容器１０４は、キャリア液体１１２を受け取って収容することができるどんな種類の容器または貯蔵器によっても具体化することができる。ある実施態様では、容器１０４は表面積が約４０ｃｍ×２５ｃｍで深さが約５ｃｍとすることができるが、他の実施態様では異なる寸法を用いることができる。次のことに注意されたい。すなわち、キャリア液体１１２は、噴射粒子２を気体液体界面１１４に保つように表面張力が十分に高い任意の液体または流体からなることができる。たとえば、限定することなく、キャリア液体１１２は、水、水溶液、液体金属（たとえば、水銀）、またはそれらの混合物を含むことができる。
【００８７】
特定の応用例または用途に応じて、周囲気体１１６は異なる組成を有することができる。たとえば、いくつかの実施態様では周囲気体１１６は通常空気とすることができるが、他の実施態様では、層状化プロセスの間に生じる酸化及び粒子との他の不要な化学反応を防止または少なくとも低減する目的で、周囲気体１１６の酸素含有量を通常空気のそれより低くすることができる。いくつかの実施態様では、層状化装置１００は、周囲気体１１６の組成、圧力、及び供給または流量（もしあれば）のうちの少なくとも１つを制御する働きをする周囲気体制御ユニット１５４を含むことができる。
【００８８】
さらに図４を参照して、いくつかの実施態様では、気体液体界面１１４は、水平面に沿って延びる略平坦面を画定する。気体液体界面１１４は、キャリア液体１１２と周囲気体１１６との間の境界線に対応する。本説明では、用語「水平方向」は、重力の方向に実質的に垂直に延びる平面または方向を指す。次のことに注意されたい。すなわち、用語「水平方向」は、真に水平方向及び実質的またはほぼ水平方向の両方に及ぶことが意図されている。したがって、いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリ１０８は、気体液体界面１１４に沿ってのキャリア液体１１２の流れを、実質的に重力流を用いずに制御するように構成されている。ここで用語「重力流」は、主にまたは排他的に重力によって生じる材料の下降流を指す。いくつかの実施態様では、界面液体流れが重力による以外で流れることができる平坦な水平方向の気体液体界面１１４が提供されることによって、キャリア液体１１２の表面におけるリップル、転波列、及び他の不安定性であって、形成された層１０２の均一性、品質、及び／または生産速度に悪影響を与える可能性があるものの形成を阻止するかまたは阻止を助けることができる。
【００８９】
図２を参照して、層状化方法２００は、キャリア液体と周囲気体との間の気体液体界面に画定された噴射ゾーン内で粒子を噴射するステップ２０２を含む。本説明では、用語「気体液体界面において」は、気体液体界面上または気体液体界面のわずかに下方の両方を含むことが意図されている。応用例に応じて、種々の噴射構成を用いることができる。噴射構成の非限定的な例としては、粒子の噴射を、単一の噴射点において、複数の離間に配置された噴射点において、または粒子流路に垂直であってもそうでなくてもよい噴射線に沿って行うことが挙げられる。いくつかの実施態様では、噴射ステップ２０２は、噴射ゾーン内での粒子の噴射レートを制御するステップを含むことができる。いくつかの実施態様では、本方法２００は、噴射ステップ２０２の前に、懸濁液または溶媒中に粒子を懸濁または溶解することによって粒子懸濁液または溶液を調製するステップを含むことができ、これは、粒子懸濁液または溶液中の粒子の濃度を制御するステップを含むことができる。
【００９０】
図４の実施形態では、噴射アセンブリ１０６は粒子２を、気体液体界面１１４に画定された噴射ゾーン１１８内に、好ましくは滑らかで穏やかな方法で噴射するように構成されている。粒子２を、噴射ゾーン１１８内で、粉末、分散体、溶液、懸濁液、異種混合物、またはそれらの組み合わせもしくは混合物として堆積することができる。懸濁液または溶液の場合、粒子２が懸濁または溶解される懸濁液または溶媒は、有機液体、たとえば、ブタノール、メタノール、イソプロパノール、アセトンなど、または無機液体、たとえば、水、溶融塩、硫酸などとすることができる。いくつかの実施態様では、懸濁液または溶媒は、噴射後に比較的急速に蒸発するように及び／またはキャリア液体１１２中に大量に残ることがないように選択する。いくつかの実施態様では、懸濁液または溶媒は表面張力がキャリア液体の表面張力１１２よりも小さい。
【００９１】
次に図５Ａ〜５Ｄを参照して、特定の応用例または用途に応じて、噴射アセンブリ１０６は異なる構成を有することができる。図５Ａでは、噴射アセンブリ１０６は、噴射ゾーン１１８内の単一の噴射点１５８において粒子２を噴射するように構成された単一の噴射器１５６を含む。図５Ｂでは、噴射アセンブリ１０６は、噴射ゾーン１１８内の実質的に連続的な噴射線１６０に沿って粒子２を噴射するように構成された単一の噴射器１５６を含む。噴射線１６０は、粒子流路１６２（すなわち、流れ制御アセンブリによってキャリア液体１１２に印加または与えられた流れ）に垂直であってもよいしそうでなくてもよい。より詳細には、図５Ｂに例示した単一の噴射器１５６の場合、粒子２の噴射は、円柱体部分を有するマニフォールドの周辺部に沿って長手方向に画定された開口部またはフィルタを通して行われる。図５Ｃでは、噴射アセンブリ１０６は複数の噴射器１５６を含む。複数の噴射器１５６は、離間に配置された噴射器１５６の直線配列として配列される。噴射器１５６は、噴射ゾーン１１８内の複数の離間に配置された噴射点１５８に粒子２を噴射するように構成されている。図５Ｂの場合と同様に、アレイ噴射器１５６を、流れ制御アセンブリによってキャリア液体１１２に付与または与えられた粒子流路１６２に垂直にアライメントされた円柱体部分を有するマニフォールド内に設けることができる。図５Ｄを参照して、さらに他の実施態様では、噴射アセンブリ１０６は噴霧器１６４（たとえば超音波アトマイザ）を含むことができる。さらに以下のことに注意されたい。すなわち、いくつかの実施態様では、粒子を粉末状で気体液体界面に噴射することができ、従来の粉末堆積プロセスを用いることができる。いくつかの実施態様では、粒子をキャリア液体内部に噴射してその後にキャリア液体から気体液体界面に向けて吸着するのではなくて、粒子を気体液体界面に噴射または堆積する。
【００９２】
図４に戻って、いくつかの実施態様では、層状化装置１００は、噴射アセンブリ１０６に接続された粒子保存ユニット１２０であって、粒子２を保存して粒子２を噴射アセンブリ１０６に供給するように構成された粒子保存ユニット１２０を含むことができる。粒子保存ユニット１２０は、粒子２を、たとえば粉末、懸濁液または溶液として、噴射ゾーン１１８内でそれを噴射する前に保存することができる。粒子保存ユニット１２０を噴射アセンブリ１０６に直接または間接的に接続して、粒子２を粒子保存ユニット１２０から噴射アセンブリ１０６に供給することができる。特定の応用例または用途に応じて、粒子懸濁液、溶液、または粉末を噴射ステップの直前にまたは事前に形成した後に、必要となるまで粒子保存ユニット１２０内に保存することができる。
【００９３】
さらに図４を参照して、いくつかの実施態様では、噴射アセンブリ１０６は、溶液／懸濁液中の粒子２の濃度及び／または噴射ゾーン１１８における溶液／懸濁液の送出レートを制御するように構成された投与量または噴射レート制御器１６６を含むことができる。ある場合には、投与量または噴射レート制御器１１６は、層製造ゾーンから作業ゾーンへの層の作業ゾーン堆積に従って層移送線速度を制御し、及び／または個別層内及び／または連続形成された層間の密度を制御する。いくつかの実施態様では、層状化装置１００は、容器１０４内に送出すべきキャリア液体１１２を保存するためのキャリア液体保存ユニット（図示せず）を含むことができる。
【００９４】
噴射後に、粒子は全般的に、噴射ゾーンから広がって気体液体界面の利用可能な表面積を占める傾向がある。この自然の粒子拡散は、少なくとも部分的に、噴射粒子、ホスト液体（もしあれば）、キャリア液体、及び周囲気体の間の気体液体界面に確立された界面張力によって生じる。本方法のいくつかの実施態様では、気体液体界面の各側面での粒子の平衡表面親和性を制御することによって、粒子が噴射ゾーンから離れて広がるときに粒子を気体液体界面に維持する。いくつかの実施態様では、粒子のキャリア液体との平衡表面親和性を制御して、粒子が気体液体界面上に確実に留まるようにすることは、粒子、キャリア液体、及びもしあればホスト液体（たとえば、粒子が懸濁または溶解されている懸濁液または溶媒）のうちの少なくとも１つの疎水性または親水性を調整するステップを伴う可能性がある。たとえば、キャリア液体が水溶液であるシナリオでは、噴射粒子が気体液体界面に維持されることを確実にすることには、粒子及び／またはホスト液体（もしあれば）の疎水性を増加させることを伴うことができる。また粒子に疎水性分子を取り付けてその疎水性を増加させることが可能であってもよい。当然のことながら、噴射粒子がキャリア液体の表面に留まることを確実にするかまたは確実を助けるために種々の技術を利用できることを理解されたい。
【００９５】
次のことに注意されたい。すなわち、粒子が懸濁液または溶液として噴射されるとき、懸濁液または溶媒は蒸発し及び／またはキャリア液体内に進入する可能性があるため、気体液体界面に堆積粒子が残る。しかし、いくつかの実施形態では、完全には蒸発しない懸濁液または溶媒であって、形成された層上または層内に望ましい残留材料を残す懸濁液または溶媒を選択または製造することもできる。このような残留材料は、作業ゾーン（たとえば、付加製造システムの作業ゾーン、たとえば図１のそれ）において連続層が非破壊的に順に重なって堆積されるシナリオにおいて、層状化プロセス中に構築することから機械的応力を回避または低減するのに有用である可能性がある。
【００９６】
図２に戻って、本方法２００はまた、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れを制御して、噴射ゾーンから層形成ゾーンまで粒子流路に沿って粒子を下流に運ぶステップ２０４を含む。
【００９７】
図４では、流れ制御アセンブリ１０８は容器１０４内に配置されて、キャリア液体１１２が容器１０４内に存在するときに、流れ制御アセンブリ１０８がキャリア液体１１２内に少なくとも部分的に浸漬され、気体液体界面１１４に沿ってのキャリア液体１１２の流れを制御するように構成されている。流れ制御アセンブリ１０８によって生成されたキャリア液体１１２の流れは、粒子２を噴射ゾーン１１８から粒子流路１６２に沿って下流に層形成ゾーン１２２まで運ぶように作用する。層形成ゾーン１２２では、粒子２は蓄積して気体液体界面１１４上に粒子層１０２を徐々に形成する。粒子２の広がりが生じると、気体液体界面１１４に沿ってキャリア液体１１２に与えられた流れは、粒子２を層形成ゾーン１２２の方に駆動または運ぶように作用する。
【００９８】
本説明では、用語「流れ制御アセンブリ」は、容器内に受け取ったキャリア液体内に少なくとも部分的に浸漬された任意の適切な装置または装置の組み合わせであって、気体液体界面の下方に配置されたキャリア液体の少なくとも上部に下流流れを（たとえば、機械的に、油圧式に、電気的に、または他の方法で）確立して維持するように構成されたかまたはそのように行う働きをする装置または装置の組み合わせを指すと、おおまかには解釈すべきである。言い換えれば、図４を参照して、流れ制御アセンブリ１０８はキャリア液体１１２の変位を生じさせるように構成されており、その結果、粒子２を層形成ゾーン１２２の方に運ぶ気体液体界面１１４の移動が生じる。いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリ１０８はキャリア液体１１２の上部１２４の流れを制御するように構成されている。上部１２４は気体液体界面１１４から気体液体界面１１４の下方の動作深さｄまで達する。いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリ１０８は少なくとも１つの流れ制御装置１２８を含む。各流れ制御装置は動作深さｄに配置され、気体液体界面１１４と平行な動作速度ｖで動作する。いくつかの実施態様では、少なくとも１つの流れ制御装置１２８を動作させることは、キャリア液体１１２の粘度μに基づいて動作深さｄ及び／または動作速度ｖを選択することを含む。いくつかの実施態様では、気体液体界面１１４の真下のキャリア液体１１２の上部１２４の流れを制御すれば、気体液体界面１１４における粒子２に対する無制御の側圧の現象を除去するかまたは除去を助けることが、粒子２を層形成ゾーン１２２の方へ送って粒子層１０２の制御された組立てを促進することによって可能になる。
【００９９】
本説明では、用語「下流」は、粒子流路に沿って流れ制御アセンブリがキャリア液体に付与した流れの方向に概ね対応する方向を指し、一方で、用語「上流」は概ね、粒子流路に沿って流れ制御アセンブリがキャリア液体に付与した流れの方向と反対の方向を指す。より詳細には、図４を参照して、噴射ゾーン１１８は、層形成ゾーン１２２の上流に配置されている。
【０１００】
図６を参照して、いくつかの実施態様では、キャリア液体１１２の上部１２４の流れの制御は、流れ制御アセンブリ１０８（気体液体界面１１４の下方の動作深さｄに配置され、気体液体界面１１４と平行な動作速度ｖで動作している）のコンポーネントまたは表面１２６の変位によって生じる。このような構成では、キャリア液体１１２の固有粘度μに起因して、コンポーネントまたは表面１２６の変位によって、粒子２に作用する力Ｆが気体液体界面１１４に沿って発生する。いくつかの実施態様では、気体液体界面１１４の表面Ａの領域に作用する力Ｆは、以下のように表現することができる。Ｆ／Ａ＝μｖ／ｄ。ここでＦ／Ａは粒子２に作用する圧力Ｐを表す。たとえば、非限定の実施形態として、キャリア液体１１２の特徴が粘度が比較的低いこと（たとえば、センチポアズ未満）である場合、気体液体界面１１４の下の移動基材１２６の深さｄを１センチメートルよりも短く（たとえば、数ミリメートル以下のオーダーに）して、粒子を効率的に層形成ゾーンまで運ぶのに十分大きな圧力Ｐを発生させることができる。次のことに注意されたい。すなわち、等式Ｆ／Ａ＝μＶ／ｄは一般的にニュートン流体に対して適用可能であり、本明細書では単に説明を目的として与えられている。実際には、本技術は全般的に、ニュートン及び非ニュートン流体の両方に適用可能である。また、特定の応用例または用途に応じて、異なる解析的方程式及びモデルを用いて、気体液体界面で粒子に作用する力を説明し、計算し、及び解析することができる。
【０１０１】
図４に戻って、いくつかの典型的な非限定の実施態様では、流れ制御アセンブリ１０８は少なくとも１つの流れ制御装置１２８（すなわち単一または複数の流れ制御装置）を含むことができる。たとえば、いくつかの実施態様では、少なくとも１つの流れ制御装置１２８を、キャリア液体１１２内の気体液体界面１１４から下方の動作深さｄに配置された１つ以上のベルトコンベアによって具体化することができる。各ベルトコンベアは、ローラまたはプーリ１３０のセット（少なくとも１つは動力付きローラである）とローラ１３０の周りを移動するように取り付けられたエンドレスコンベアベルト１３２とを含むことができる。いくつかの実施態様では、１つ以上の移動ベルトコンベア１２８を、層１０２が形成されるレートまたは速度、層１０２内部の圧力、層１０２の厚さ、層１０２の密度、及び層形成ゾーン１２２における粒子２の蓄積のうちの少なくとも１つを制御するように構成するかまたは動作させることができる。
【０１０２】
図７を参照して、当然のことながら、キャリア液体１１２内に浸漬された複数の独立に制御された流れ制御装置１２８（たとえば、ベルトコンベア）を設けることによって、形成された層の（特にその側縁部の）均一性を向上させることができる。より詳細には、キャリア液体１１２内に浸漬された複数の独立に制御されたベルトコンベア１２８を設けることを用いて、層形成ゾーン１２２における粒子２の制御された交通渋滞または制限（及びしたがって側圧制御）を形成すること、ならびに層状化プロセスにおける噴射方法または他の不均等源に起因する圧力及び蓄積不均等を補正することができる。応用例に応じて、種々の流れ制御装置１２８は同一であってもよいしそうでなくてもよい。すなわち、流れ制御装置１２８はすべて、同じ動作深さ、動作速度、寸法、及び／または方位を有していてもよいしそうでなくてもよい。たとえば、複数の流れ制御装置１２８が粒子流路１６２（たとえば、図７に示す）と平行な並列関係で延びると、容器１２４の縁部付近に配置された流れ制御装置１２８の動作速度が、容器１２４の中心付近に配置された流れ制御装置１２８の動作速度と異なることが優位な場合がある。いくつかの実施態様では、異なる動作速度プロファイルを、複数の流れ制御装置１２８に対して想定することができる。いくつかの実施態様では、流れ制御装置の動作速度１２８を、噴射パラメータ（たとえば、位置、単一点対多点など）に基づいて調整することができる。
【０１０３】
図８を参照して、流れ制御アセンブリ１０８に対する別の典型的な実施態様を示す。この実施態様では、流れ制御アセンブリ１０８は、気体液体界面１１４の下方のキャリア液体１１２内のある深さに浸漬された固定基材１３４と、噴射ゾーン１１８の上流のキャリア液体１１２内に少なくとも部分的に浸漬されたポンプ１３６とを含んでいる。固定基材１３４の上面１６８と気体液体界面１１４との間の空間は、キャリア液体１１２の上部１２４に対応する。キャリア液体１１２はポンプ１３６の動作によって始まり、粒子２を層形成ゾーン１２２の方へ運ぶ。層形成ゾーン１２２では、粒子２が蓄積して、層１０２が徐々に形成される。例示した実施形態では、ポンプ１３６は、噴射ゾーン１１８の上流の固定基材１３４の最上表面１６８上に配置されている。
【０１０４】
図４において、いくつかの実施態様では、層状化装置１００は、障壁または背面コンポーネント１３８を含んでいてもよい。障壁または背面コンポーネント１３８は、噴射ゾーン１１８の少なくとも部分的に上流（すなわち、その背後）に配置され、粒子２の流れを粒子流路１６２に沿って下流へ促進するかまたは促進を容易にするように構成されている。図９Ａ〜９Ｃに、噴射ゾーン１１８内の粒子２の単一の噴射点１５８の場合について、上流側障壁１３８に対する３つの典型的な形状を例示する。図９Ａ及び９Ｂにおいて、上流側障壁１３８は下流の方を向く凹部であり、最初は噴射点１５８から半径方向外側に概ね上流方向に（すなわち、粒子流路１６２とは反対側に）移動する入射粒子２を、概ね下流方向に（すなわち、粒子流路１６２に沿って）反射するかまたは方向を変えるように作用する。図９Ａでは、上流側障壁１３８は湾曲している（たとえば、放物線である）が、図９Ｂでは、上流側障壁１３８は、２つのシート部分１４０が共通の縁部１４２で合流したもので形成されている。図９Ｃにおいて、上流側障壁１３８は平坦であり、粒子流路１６２に垂直である。このような場合、上流側障壁は容器の上流縁部によってまたは別のコンポーネントによって具体化することができる。
【０１０５】
いくつかの実施態様では、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れを制御して、粒子を噴射ゾーンから層形成ゾーンまで下流に運ぶことは、気体液体界面におけるブラスト噴射の現象を抑制または緩和することを伴うことができる。ブラスト噴射は、粒子懸濁液または溶液が噴射ゾーン内の単一点において噴射されたときに起きる可能性がある。ブラスト噴射が観察されるいくつかの実施態様では、粒子が懸濁または溶解された懸濁液または溶媒は、気体液体界面またはその付近でキャリア液体と接触する点において、蒸気圧及び／または他の物理化学現象に起因する波膨張効果を形成する。波膨張効果は、噴射点における懸濁液または溶媒の流体力学上の圧力に従うように粒子を押す傾向がある。その結果、懸濁液または溶媒の膨張は半径方向に、噴射の点からすべての方向に始まって、いくつかの実施態様では、粒子層の製造において側圧の不要な及び／または有害な差を、たとえばキャリア液体を含む容器または槽の下流端または縁部で形成する傾向がある。いくつかの実施態様では、気体液体界面においてブラスト噴射の現象を抑制するかまたは含むステップは、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れの調整を、噴射ゾーン内で噴射された粒子の波膨張率に従って、たとえば流速が波膨張率よりも高くなるようにキャリア液体の流れを調整することによって行うことを含む。図１０を参照して、他の実施態様では、噴射ゾーン１１８と層形成ゾーン１２２との間にフィルタ１７０を設けることによって、ブラスト噴射の現象を低減するかまたは少なくとも制御することができる。例示した実施形態では、フィルタ１７０は、粒子流路１６２に垂直に配向された開口部１７２の直線配列であって、粒子噴射プロセスによって気体液体界面の噴射乱れを減衰させて層品質を確実にするように構成された開口部１７２の直線配列を含む。当然のことながら、フィルタ（たとえば、図１０に示す）を設けることは、ブラスト噴射の現象の制御に有用である可能性がある。なぜならば、ブラスト噴射によって形成される界面における波の伝搬がフィルタによって減少するからである。これは、自由伝搬の溶媒、波、及び粒子が層形成ゾーンに向けて行なわれて移送される前に、それらを低減する制御された妨害効果があることに起因する。
【０１０６】
図２に戻って、本方法２００はまた、層形成ゾーン内で粒子を蓄積して気体液体界面上に粒子層を徐々に形成するステップ２０６と、層形成ゾーンから粒子層を回収するステップ２０８とを含む。いくつかの実施態様では、蓄積ステップ２０６は、層形成ゾーン１２２内でのキャリア液体の流れを制限するステップを含むことができる。いくつかの実施態様では、回収ステップ２０８は徐々にかつ蓄積ステップ２０６と同時に行う。他の実施態様では、回収ステップは、粒子層またはその一部が完全に形成された時点でのみ行う。これらの他の実施態様のいくつかでは、本方法は、粒子層が完全に形成された時点でかつ除去ステップの間に、噴射ステップを停止するステップと粒子層をその上流縁部に対して下流に押すステップとを含むことができる。いくつかの実施態様では、回収ステップは、粒子層内での側圧を制御するステップを含む。このように粒子層内の側圧を制御することは、気体液体界面に沿ってのキャリア液体の流れと層形成ゾーンからの粒子層の回収レートとの間の比を調整することを伴うことができる。
【０１０７】
図４では、移送アセンブリ１１０は、形成された粒子層１０２を層形成ゾーン１２２から別の位置へ回収するように構成されている。また移送アセンブリ１１０は、層状化装置１００のコンポーネントまたは障壁であって、粒子２が層形成ゾーン１２２内で蓄積して粒子層１０２をその上でまたはそれに対して徐々に形成するコンポーネントまたは障壁であってもよい。図３に簡単に戻って、当然のことながら、付加製造システム１において層状化装置１００を用いるとき、移送アセンブリ１１０は、形成された粒子層１０２を層形成ゾーン１２２から、３Ｄ物体４０を製造すべき作業ゾーン４へ回収するように構成されている。また当然のことながら、粒子層１０２を作業ゾーン４内で効率的に堆積するために、形成された粒子層１０２の移送を好都合に時間調整するかまたは同期させて、層移送速度が移送アセンブリ１１０と作業ゾーン４上の層受け取り領域との間の相対速度と確実に実質的に同じとなるようにすることができる。また形成された粒子層１０２に印加された側圧が移送プロセス全体を通して実質的に一定のままであり、そのため一定の層密度にとって有利であることも優位であり得る。
【０１０８】
特定の応用例または用途に応じて、移送アセンブリ１１０が、形成された粒子層１０２を層形成ゾーン１２２から回収することは、層形成ゾーン１２２内での粒子２の蓄積及び気体液体界面１１４上での層１０２の徐々の形成と同時に、または完全な粒子層１０２（またはその一部）が形成された後でのみ可能である。
【０１０９】
さらに図４を、しかし図１１も参照して、いくつかの実施態様では、移送アセンブリ１１０は、コンベアベルト１７４を含む移送ベルトコンベア１４４を含むことができる。移送ベルトコンベア１４４は層形成ゾーン１２２の下流縁部に位置し、形成された粒子層１０２を層形成ゾーン１２２から出してベルトコンベア１７４に沿って別の位置に搬送して、さらなる処理または保存に備える働きをする。たとえば、他方の位置は、付加製造システム１の作業ゾーン４（図３）または別の位置とすることができる。いくつかの実施態様では、移送アセンブリ１１０のベルトコンベア１４４を一定速度で駆動して、粒子層の移送中に粒子層１０２内部で一定の側圧を維持することができる。当然のことながら、他の実施形態では、移送アセンブリ１１０のベルトコンベア１４４を一定速度で駆動しなくてもよい。
【０１１０】
次に図１２を参照して、別の実施態様では、移送アセンブリ１１０は、層形成ゾーン１２２の下流縁部に位置する回転式シリンダ１４６を含むことができる。回転式シリンダ１４６は、その周囲面１４８に沿って、形成された粒子層１０２を層形成ゾーン１２２の外から別の場所へ運んで、さらなる処理または保存を行う働きをする。再び、図３を参照して、他方の位置は付加製造システム１の作業ゾーン４とすることができる。いくつかの実施態様では、シリンダ１４６を一定の角速度で回転させて、粒子層１０２の移送中に粒子層１０２内部で一定の側圧を維持することができる。
【０１１１】
次のことに注意されたい。すなわち、本技術では、粒子層１０２は全般的に、移送アセンブリ１１０（たとえば、図１１の移送ベルトコンベア１４４及び図１２の回転式シリンダ）上には形成されず、その代わりに移送アセンブリ１１０の上流に設けられた層形成ゾーン１２２内で形成される。言い換えれば、粒子層１０２は、移送アセンブリ１１０上で搬送されているときに、概ねすでに形成されている。
【０１１２】
図１３を参照して、別の実施態様では、移送アセンブリ１１０は毛細管ブリッジ１５０を形成して、形成された粒子層１０２を、たとえば付加製造システムの作業ゾーン４において、以前に回収され、移送され、及び堆積された層１０２の多層スタック１５２の最上部にゆるやか及び滑らかに堆積させることができる。また図１３には、以前に形成した多層スタック１５２のＮｔｈ層の最上部にＮ＋１ｔｈ粒子層を堆積する概略図も示す。
【０１１３】
図１４Ａ〜１４Ｅを参照して、いくつかの実施態様では、流れ制御アセンブリ１０８は、気体液体界面１１４の下方のキャリア液体１１２内に浸漬されたベルトコンベアまたは固定基材を含む必要はない。たとえば、いくつかの実施態様では、気体液体界面１１４上の制限領域１７６を、移送アセンブリ１１０の移送ベルトコンベア１４４、容器１０４の横方向の側壁１７８、及び噴射ゾーン１１８の上流に配置された移動可能な障壁１８０によって区切ることができる（図１４Ａ）。移動可能部分１８０は、キャリア液体１２２内に少なくとも部分的に浸漬され、流れ制御アセンブリ１０８の一部である。この制限領域１７６は、層形成ゾーン１２２と噴射ゾーン１１８とを含む。層形成ゾーン１２２内で噴射粒子２を蓄積する間、移送ベルトコンベア１４４は、制限領域１７６が粒子２によって完全に覆われるまで、静止したままでいることができる（図１４Ｂ）。制限領域１７６の完全被覆が実現された時点で、移送ベルトコンベア１４４は移動を開始して過剰粒子２（すなわち、形成された層１０２）を層形成ゾーン１２２から外に搬送することができる（図１４Ｃ）。移送ベルトコンベア１４４の搬送動作を調整して、制限領域１７６を離れる粒子層１０２の回収レートが、制限領域１７６に入る粒子２の噴射レートと一致するようにすることができる。層製造プロセスの終わりでは、粒子噴射を停止させて、移動可能な障壁１８０を気体液体界面１１４に沿って下流に、移送ベルトコンベア１４４の方に変位させることができる。その結果、制限領域１７６の表面積が、粒子回収レートと等しい値に設定可能なレートで徐々に減少する（図１４Ｄ）。すべての粒子２が回収されて、移動可能な障壁１８０が移送ベルトコンベア１４４に達したときに、プロセスを停止することができる（図１４Ｅ）。
【０１１４】
いくつかの実施態様では、本技術は、層形成プロセスの特定のモニタリングを行なうステップを含むことができる。いくつかのシナリオでは、このステップは、一種の「交通渋滞」効果をモニタすることを伴うことができる。「交通渋滞」効果は、粒子の流れまたは移動を妨げるかまたは制限する可能性があり、粒子は層形成ゾーン内で蓄積されて、粒子層が形成されることになる。このようなシナリオでは、層形成プロセスのモニタリングは、粒子（たとえば、粉末、懸濁液または溶液の形態で）が気体液体界面に噴射される噴射ゾーンのモニタリングを伴うことができる。たとえば、いくつかの実施態様では、蓄積ステップは、層形成ゾーン内で粒子が蓄積するときに粒子流路に沿っての気体液体界面のプロファイルをモニタすることを含む。
【０１１５】
いくつかの実施態様では、層状粒子の平均サイズはミリメートル規模〜ナノメートル規模の範囲とすることができ、６桁のサイズに及ぶ。当然のことながら、異なるタイプの粒子及び異なるタイプのエネルギービーム、粒子ビーム、または接着促進剤を、たとえば、形成すべき層の望ましいまたは要求される厚さ、機能、構造、及び／または特性に依存して用いることができる。また当然のことながら、付加製造システム内で層状化装置を用いるときは、複数の層状化ステージに対して噴射、流れ、層製造、及び層移送ステップを概ね連続して繰り返す。未使用の粒子を取り戻して再利用のために保存するクリーニングアセンブリを設けることができる。
【０１１６】
いくつかの実施態様では、層状化装置は、ハードウェア及び／またはソフトウェアで実装された制御ユニットまたは処理ユニット（図示せず）であって、層状化装置の異なるコンポーネント（たとえば、噴射アセンブリ、流れ制御アセンブリ、及び／または移送アセンブリ）を動作させるのに必要な機能を少なくとも部分的に制御及び実行する働きをする制御ユニットまたは処理ユニットを含むことができる。たとえば、制御ユニットは、噴射アセンブリが送出すべき溶液／懸濁液の量及び／または流れ制御アセンブリが与える流れ及び側圧を制御し、その結果、結果として得られる粒子層の密度及び厚さを制御する働きをすることができる。
【０１１７】
当然のことながら、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、前述した実施形態に対して多くの変更を施すことができる。本明細書では、いくつかの代替的な実施形態及び例について説明し例示してきた。前述した実施形態は典型的であることが意図されている。当業者であれば、個別の実施形態の特徴、ならびにコンポーネントの可能な組み合わせ、変形、及び省略が分かるであろう。当業者であればさらに分かるように、実施形態のいずれも、本明細書で開示した他の実施形態と任意に組み合わせて提供することができる。当然のことながら、本明細書で開示した技術は、その中心的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具体化してもよい。したがって、本実施例及び実施形態は、あらゆる点で例示的であって限定的ではないと考えるべきであり、本技術は本明細書で示した詳細に限定してはならない。したがって、特定の実施形態について例示し説明してきたが、添付の請求項の範囲から著しく逸脱することなく、多くの変更が想起される。
【符号の説明】
【０１１８】
１  付加製造システム
２  粒子
３  レーザビーム
４  作業ゾーン
８  クリーニングアセンブリ
９  ミラー
１０  レーザ源
１１  個別の粒子層
４０  三次元（３Ｄ）物体
６０  作業トレイ
１００  層状化装置
１０２  粒子２の層
１０４  容器
１０６  噴射アセンブリ
１０８  流れ制御アセンブリ
１１０  移送アセンブリ
１１２  キャリア液体
１１４  気体液体界面
１１６  環境気体
１１８  噴射ゾーン
１２０  粒子保存ユニット
１２２  層形成ゾーン
１２４  容器
１２６  移動基材
１２８  流れ制御装置
１３０  ローラ
１３２  エンドレスコンベアベルト
１３４  固定基材
１３６  ポンプ
１３８  障壁または背面コンポーネント
１４０  シート部分
１４２  縁部
１４４  移送ベルトコンベア
１５４  周囲気体制御ユニット
１５６  噴射器
１５８  噴射点
１６０  噴射線
１６２  粒子流路
１６４  噴霧器
１６６  噴射レート制御器
１６８  上面
１７０  フィルタ
１７２  開口部
１７４  コンベアベルト
１７６  制限領域
１７８  側壁
１８０  移動可能な障壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【国際調査報告】
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